3D 打印，走下神壇

朱輝杰

長久以來，在二維圖文打印領(lǐng)域，人們?yōu)椤八娂此谩保╓hat You See Is What You Get）的目標(biāo)而努力——計(jì)算機(jī)屏幕上看到的和打印在紙面上的結(jié)果一模一樣?，F(xiàn)在，人們開始在三維實(shí)體領(lǐng)域追求“所見即所得”，“3D 打印”技術(shù)“DUANG”的一下出現(xiàn)了。

“3D打印”是一種以數(shù)字化三維模型文件為基礎(chǔ)的直接制造技術(shù)，幾乎可以制造任意形狀三維實(shí)體，即使這些實(shí)體包含大量的薄壁、鏤空和不規(guī)則、復(fù)雜特征，也可以輕而易舉地“打印”出來。

奧巴馬的蝴蝶翅膀

在中國公眾的視角中，“3D 打印”是一種因美國總統(tǒng)奧巴馬而忽然熱起來的“舶來品”，渾身散發(fā)著高大上的氣息。實(shí)際上，在2013 年奧巴馬總統(tǒng)發(fā)表國情咨文盛贊3D 打印技術(shù)之前，中國已經(jīng)有了3D 打印類的技術(shù)研發(fā)和相關(guān)產(chǎn)品，只不過它的名字是“增材制造”，或者是“快速原型”和“積層制造”。這些稱謂在制造、建筑和醫(yī)療等領(lǐng)域并不算罕見，但對于公眾而言，顯然不夠通俗化（麻省理工學(xué)院在1995 年第一次提出3D 打印的概念），更沒有受到政策和產(chǎn)業(yè)層面太多的重視。創(chuàng)造力發(fā)生巨大的變革。

奧巴馬不僅讓3D Systems 和Stratasys 這兩家美國公司的市值飆升，還扮演了“蝴蝶翅膀”的角色，全世界都猛然掀起了3D 打印的風(fēng)潮。2013 年5 月，新加坡總理李顯龍?jiān)谥v話中專門強(qiáng)調(diào)了3D 打印技術(shù)，同時(shí)新加坡經(jīng)濟(jì)與發(fā)展局投資三千萬新幣打造東南亞3D 打印研究中心。2013年7 月，中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席習(xí)近平在考察東湖高新區(qū)時(shí)，觀看了3D 打印的最新研究成果后說：“這個(gè)技術(shù)很重要，要抓緊產(chǎn)業(yè)化”。

此后一兩年，3D 打印這個(gè)字眼高頻率地出現(xiàn)在了我國各級政府的戰(zhàn)略發(fā)展和產(chǎn)業(yè)政策文件中。在“中國制造2025”的綱領(lǐng)中，特別指出了3D打印技術(shù)的重要性。2015 年2 月28 日，工信部、國家發(fā)改委、財(cái)政部還聯(lián)合發(fā)布了《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃（2015-2016 年）》，這是首部以國家部委名義聯(lián)合發(fā)布的增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展計(jì)劃。

十年無人知、一朝天下聞3D 打印火了！它是突然從石縫里蹦出的猴子嗎？實(shí)際上，早在1892 年，美國已經(jīng)出現(xiàn)利用分層制造原理制作地形圖的技術(shù)，只不過那時(shí)候的材料、工藝都不支持大規(guī)模的商業(yè)化產(chǎn)品。進(jìn)入上世紀(jì)1980 年代，美國3M 公司的Alan J.Herbert（1982 年）、日本名古屋工業(yè)研究所的小玉秀男（1980年）、美國UVP 公司的Charles W.Hull（1984 年）和日本大阪工業(yè)技術(shù)研究所的丸谷洋二（1984 年），各自獨(dú)立地提出了快速原型的技術(shù)設(shè)想，盡管實(shí)現(xiàn)的材料和方式各異，但均以多層疊加和固化的方式來產(chǎn)生實(shí)體。

1986 年，Charles W. Hull（亦稱Chuck Hull）在美國首先獲得了光固化立體造型設(shè)備（SLA，立體平板印刷） 的專利， 并將快速原型技術(shù)推向商業(yè)化實(shí)用領(lǐng)域。選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)、熔融沉積原型（FDM）由其他人研發(fā)并持有專利，雖然有些發(fā)明者獲取專利的時(shí)間早于Clarles W. Hull，但商業(yè)化時(shí)間都晚于Clarles W. Hull，因此，世界范圍公認(rèn)Charles W. Hull 是3D 打印之父。2014 年，Clarles W. Hull 和愛迪生、萊特兄弟、愛因斯坦一樣，進(jìn)入了美國專利商標(biāo)局的發(fā)明家名人堂。

在中國，早在上世紀(jì)90 年代初，西北工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、華南理工大學(xué)和南京航空航天大學(xué)等高校的科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)陸續(xù)開始從事“快速原型”基礎(chǔ)工藝技術(shù)和產(chǎn)品的研發(fā)工作，多年來他們一直在“增材制造”的學(xué)術(shù)領(lǐng)域和專業(yè)應(yīng)用層面默默耕耘，幫助國內(nèi)汽車、工模具、建筑和消費(fèi)品等領(lǐng)域的制造企業(yè)開展應(yīng)用。如今，在強(qiáng)大的政策感召力之下，3D 打印迅速成為了一個(gè)前景可觀的產(chǎn)業(yè)，西北工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)和華中科技大學(xué)等相關(guān)科研機(jī)構(gòu)，包括快速原型業(yè)內(nèi)的一些老牌國內(nèi)公司，得到了突如其來的、廣泛的關(guān)注和支持，3D 打印在全國各地“開花結(jié)果”，真有“十年無人知、一朝天下聞”的感覺。一位業(yè)內(nèi)人士對記者說：“做了十幾年的快速成型，始終起色不大，五年前，還在到處拉投資，最近一兩年幸福突然就來了，有點(diǎn)不太真實(shí)的感覺”。

3D 打印技術(shù)的多元化

圍繞3D 打印技術(shù)的演進(jìn)，世界范圍陸續(xù)出現(xiàn)了不同的基礎(chǔ)材料和工藝技術(shù)。有些技術(shù)利用熔化或軟化塑性材料來打印“實(shí)體”，如上文提到的選擇性激光燒結(jié)（SLS）和熔融沉積式（FDM），還有一些技術(shù)用液體材料作為打印的“墨水”，如立體平板印刷（SLA）。每種技術(shù)雖然都基于增材制造原理，但都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，市場上已經(jīng)出現(xiàn)的3D 打印機(jī)采用了不同的工藝和材料，適用于不同的領(lǐng)域。3D 打印技術(shù)的多元化滿足了不同應(yīng)用的需求，也使得制定統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)變得困難。

下面是增材制造的常見技術(shù)工藝，當(dāng)然，這些技術(shù)的專利權(quán)基本都被3D Systems、Stratasys 和EOS 等國外公司掌握著，這也間接造成了主流3D 打印設(shè)備的價(jià)格居高不下。

（1） 液體材料增材制造系統(tǒng)（Liquid-Based AM System）。

◎ Sterolithography Apparatus（SLA）。

◎ PolyJet。

◎ Multi-Jet Printing System （MJP）。

◎ Perfactory。

◎ Solid Object Ultraviolet-Laser Printer。

◎ Bioplotter。

◎ 3D Bioprinting。

◎ Rapid Freeze Prototyping。

（2） 固體材料增材制造系統(tǒng)endprint

（Solid-Based AM System）。

◎ Fused Deposition Modelling（FDM）。

◎ Benchtop System。

◎ Selective Deposition Lamination （SDL）。

◎ Laminated Objet Manufacutring （LOM）。

◎ Ultrasonic Consolidation。

（3） 粉末材料增材制造系統(tǒng)（Powder-Based AM System）。

◎ Selective Laser Sintering（SLS）。

◎ ColorJet Printing （CJP）。

◎ EOSINT Systems。

◎ Electron Beam Melting （EBM）。

◎ LaserCUSING。

◎ Selective Laser Melting（SLM）。

◎ Phenix PXTM Series。

◎ Microsintering。

◎Digital Part Materialization。

此分類方法參考：《3D Printing and Additive Manufacturing——Principles and Applications》，蔡志楷Chee Kai Chua，

工業(yè)級 3D打印設(shè)備仍是主流

按照應(yīng)用環(huán)境分類，3D打印設(shè)備可以簡單地分為工業(yè)級和桌面級。

工業(yè)級3D打印設(shè)備在 20世紀(jì) 90年代中晚期，就已經(jīng)在國內(nèi)科研教育、航空航天、船舶制造、模具、汽車和消費(fèi)品等行業(yè)得到了應(yīng)用，這些設(shè)備最早均被稱為“快速原型機(jī)”。

國內(nèi)的工業(yè)級 3D打印設(shè)備包括：北京隆源自動(dòng)成型系統(tǒng)有限公司基于激光粉末燒結(jié)（SLS）技術(shù)開發(fā)的 AFS系列激光快速成型機(jī)，武漢濱湖機(jī)電基于金屬粉末熔化技術(shù)開發(fā)的 SLM成型機(jī)，北京殷華激光快速成形與模具技術(shù)有限公司基于熔融擠出成型工藝 （FDM）開發(fā)的 MEM系列成型機(jī)，長沙華曙高科基于 SLS技術(shù)開發(fā)的FARSOON系列快速成型機(jī)。

國外工業(yè)級設(shè)備則包括 3DSystem公司的 ZPrinter系列、ProX系列 （SLS＼SLA＼DMP）、ProJet系列（SLA）和 sPro系列（SLS），以及Stratasys公司的Fortus系列（FDM）等。

這些大型工業(yè)級 3D打印設(shè)備價(jià)格高昂，體積龐大，成型速度快，能制造 200mm（短邊）以上的中大型實(shí)體，精度普遍達(dá)到 ±0.1～0.2mm/100mm。此類設(shè)備往往放置于地面上工作，個(gè)別大型設(shè)備需要 380V工業(yè)電支持。

3D打印技術(shù)主要有三個(gè)應(yīng)用場景，一是快速制造原型件驗(yàn)證設(shè)計(jì)，二是“打印”蠟?zāi)?、砂型支持鑄造生產(chǎn)，三是直接制造可用的功能件。目前的工業(yè)級 3D打印設(shè)備，在國內(nèi)主要被用于第一、第二類場景，以加快新產(chǎn)品研發(fā)，解決一些傳統(tǒng)加工方法無法克服的難題。相對而言，國內(nèi)直接利用3D打印設(shè)備制造可用功能件的比例并不高，而國外接近 50%的 3D打印應(yīng)用屬于這一類。

在工業(yè)級設(shè)備領(lǐng)域，國產(chǎn)設(shè)備和國外設(shè)備相比，平均技術(shù)能力差距并不大，但是在核心部件（如激光器）、打印材料、耗電量、設(shè)備損耗、可維護(hù)性、軟件能力和外觀設(shè)計(jì)等方面，還存在很大的上升空間。當(dāng)然，國產(chǎn)設(shè)備的價(jià)格往往大幅低于同類國外產(chǎn)品。

桌面級3D打印異軍突起

2013年，隨著 3D打印設(shè)備的小型化，F(xiàn)DM技術(shù)專利的到期，同時(shí)聚乳酸（PLA）、ABS和尼龍材料的價(jià)格日益白菜價(jià)，桌面級 3D打印市場開始井噴式發(fā)展。這類設(shè)備普遍采用熔融層積成型技術(shù) （FDM），將絲狀材料融化后逐層噴涂成型。桌面級 3D打印設(shè)備普遍價(jià)格便宜，從最初近萬美元的水平，迅速滑落到數(shù)千美元，最近一年，最廉價(jià)的桌面 3D打印機(jī)已經(jīng)跌破 1000美元，這遠(yuǎn)低于工業(yè)級設(shè)備的價(jià)格。

FDM原理的桌面級 3D打印設(shè)備體積小巧，工作噪音小，和普通噴墨、激光打印機(jī)一樣，完全可以放在辦公室和家庭的桌面上工作，它們在打印小尺寸實(shí)體件時(shí)靈巧迅速、功能簡單、操作容易，精度也完全能滿足一般用戶的要求。

當(dāng)然，2013年后推出的大部分廉價(jià) FDM桌面級 3D打印機(jī)不能達(dá)到工業(yè)級“所見即所得”的要求，受限于精度和材料屬性，它們的產(chǎn)成品用于把玩則足矣，也可以輔助工程教育、設(shè)計(jì)教育、動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)或中小型產(chǎn)品設(shè)計(jì)企業(yè)，更可以面向個(gè)人三維愛好者，但很難直接用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。

桌面級 3D打印機(jī)雖然不夠“高端”，但是它將“快速成型”技術(shù)帶到了公眾視野中，而不僅僅局限在工業(yè)領(lǐng)域。3D打印技術(shù)能在最近兩三年掀起熱潮，桌面級3D打印機(jī)功不可沒?？梢哉f，基于 FDM技術(shù)的廉價(jià)桌面級 3D打印機(jī)正在將三維打印技術(shù)拉下神壇。

2015：3D打印應(yīng)用光速發(fā)展元年

2014年，3D打印機(jī)的重要核心技術(shù)激光燒結(jié) （Laser Sintering）專利到期，技術(shù)發(fā)展的撬棍從幾家快速原型行業(yè)巨頭手中釋放出來，再一次引爆了整個(gè) 3D打印市場。不同于 FDM的技術(shù)局限性，有了激光燒結(jié)技術(shù)的支撐，成型材料的品種多了起來，包括石蠟、高分子材料、金屬和陶瓷粉都在可選范圍內(nèi)，成型件的性能會變得日益多元化，用途也更為廣泛。

專利壁壘的瓦解，讓更多的力量涌入 3D打印市場成為可能，進(jìn)而推動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)的上行。2014年，惠普公司宣布進(jìn)軍商用 3D打印市場，并預(yù)計(jì)到 2021年全球 3D打印機(jī)和相關(guān)軟件、服務(wù)的規(guī)模將達(dá)到 110億美元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過2012年的22億美元。梅格 惠特曼甚至透露，惠普公司已經(jīng)解決了一系列制約 3D打印被廣泛采用的技術(shù)問題。

惠普這樣的 IT巨頭的加入只是一個(gè)方面，中小企業(yè)、機(jī)構(gòu)和個(gè)人的廣泛參與也是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的動(dòng)力。 2014～2015年間，創(chuàng)新眾籌網(wǎng)站Kickstarter 上的經(jīng)濟(jì)型、桌面級三維打印機(jī)項(xiàng)目，比過去數(shù)年的相關(guān)項(xiàng)目總和都多。

我們完全可以預(yù)見，在未來2 ～ 3年，商業(yè)用途的桌面級3D 打印機(jī)，將不僅僅停留在FDM 層面，技術(shù)壟斷被逐漸打破后，激光燒結(jié)技術(shù)也將迅速被引入并普及化，打印材料的分布將更為廣泛，打印成本更加低廉。

未來幾年內(nèi)，設(shè)計(jì)師、工程師和中小企業(yè)可以用不高的成本、在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，把設(shè)計(jì)創(chuàng)意變成實(shí)物產(chǎn)品，并通過網(wǎng)絡(luò)推向全球市場。終端用戶也可以通過網(wǎng)絡(luò)挑選產(chǎn)品的三維數(shù)字化原型，并提出修改意見，最終用3D打印機(jī)制造，從而以較低的成本定制個(gè)性化產(chǎn)品。

2015 年，注定是三維世界“所見即所得”進(jìn)程中的重要轉(zhuǎn)折年，考慮工業(yè)生產(chǎn)成本和產(chǎn)量的平衡點(diǎn)，3D 打印未必會短時(shí)間內(nèi)大規(guī)模改變工業(yè)生產(chǎn)的主流模式。但是，3D 打印技術(shù)從工業(yè)范疇擴(kuò)展到更多生產(chǎn)、生活領(lǐng)域已經(jīng)是顯而易見的趨勢，而時(shí)間和空間上更為離散的、需求定義更為個(gè)性化的“智造”時(shí)代，即將到來。

感謝新加坡南洋理工大學(xué)Kason Leong 先生，Kickstarter 網(wǎng)站編輯Dawn，華中科技大學(xué)吳剛博士對本文做出的貢獻(xiàn)。endprint